水工学オンライン講演会 2024.8.27

京都大学防災研究所 水資源環境研究センター
産学共同研究部門 ダム再生・流砂環境再生技術 研究領域
角哲也

特定教授（京都大学名誉教授）

国際大ダム会議 副総裁（International Commission on Large Dams）
ダム工学会

会長

1. 既存ダムの持続可能性の向上• 60,000 基の既存ダムの維持管理は重要• 高経年ダムの安全性は大きな懸念事項• 将来の使用に対応するために、既存施設を効率的に水管理、保守、修復、再設計• 土砂管理手法の改善が必要

2. 持続可能な新しいダム貯水池の建設••••

ダム建設に伴う二酸化炭素排出量の削減
土砂管理のための新しいアプローチ
新しいタイプのダム：河道外貯水池、海上ダム、ダムのかさ上げ など
生物多様性の保全/改善

3. 社会的受容性の獲得
••
•
•

世界のダム
World Register of Dams (ICOLD)

出典: Lino（ICOLD総裁）

環境・社会的影響の緩和
利害関係者間の利益の公平な分配
解決策（代替案）ごとの公平な比較
一般社会、メディア、意思決定者とのコミュニケーションの改善

SS

S
ダムの安全S• ダム構造（堤体）の安全性（耐震、漏水など）• ゲートの安全性(流木・堆砂などによる閉塞防止)• 洪水吐の放流能力(ダム設計洪水流量）

運用高度化（賢く、増やして使う）
••
•
•
•

DamSafety

持続可能性（永く使う）• 貯水池土砂管理• 貯水池水質管理• 生物(魚類など)の連続性確保• 生物多様性

洪水調節
ダムの安全
渇水管理
エネルギー転換
再生可能エネルギー
ダム再生
揚水発電
運用高度化 の目的 持続可能性

Smart
Use

Sustainability

（設立趣旨）流域治水およびカーボンニュートラルの両面からのダムの運用高度化及びダムの施設改造技術の開発並びに堆砂対策を柱とする長寿命化を実現させることを目的として、 「ダムの再生」と「流砂環境の再生」の両面からの技術開発と人材育成、さらに、社会的意義の発信を行うとともに、これら技術による海外支援を行う。

流域のニーズに応えたトータルとしての再生

治水・利水（発電）
ダム再生

環境流砂環境再生

技術開発
政策提言
人材育成
海外支援

（参加機関）関西電力（株）、電源開発（株）、中部電力（株）、九州電力（株）（株）建設技術研究所、（株）ニュージェック、西日本技術開発（株）（一財）水源地環境センター(WEC)、（一財）ダム技術センター(JDEC)

• 2018年の西日本豪雨や2019年の東日本台風以降、ダムの緊急放流が増加し、これを防ぐための事前放流が全国的に推進。
• 一方で、現状ではダムの貯水容量には限りがあり、これをさらに有効活用するには、最新の気象予測情報を活用してダムの運用をさらに高度化したり、古いダムを改造して貯水容量を増やしたり、新たな放流設備を設置してより効果的な事前放流を実現させるための技術開発が必要。
• このようなダムの運用高度化によって効果的に貯留された水は、次の洪水を見据えながらゆっくりと発電放流することで増電効果を期待。
• 次の洪水が来ない場合は、ダム水位を上げた柔軟な運用も可能。

「治水」と「利水」のWIN-WINをもたらすためのダムを「賢く」、「増やして」使うための「ダム再生技術」

• 一方で、ダムには継続的に土砂が堆積してダムの機能を低下させるとともに、下流河川に本来流れるべき土砂を遮断する環境問題あり。
• これを踏まえて、近年ではダムの長寿命化と下流の河川や海岸に対する環境影響を軽減するための土砂供給をセットで実現する先進的なダムの堆砂対策が推進。

土砂供給

室生ダムにおける土砂供給

ダムを「永く」使うと同時に、河川や海岸環境の改善のためにダムから効果的に土砂を下流に供給する「流砂環境再生技術」

Part Ⅰ
第1章
第2章
第3章

日本の河川とダム
日本におけるダム開発と堆砂問題
総合土砂管理ダム再生の動向

Part Ⅱ
第4章
第5章
第6章
第7章
第8章

流域土砂管理の科学
ダムのリスクマネジメントとアセットマネジメントしての土砂管理
ダム下流の河道管理と土砂河道土砂管理のための流砂・河床変動の数値解析
土砂還元（置き土）のモデル化
河川の環境管理としての土砂管理

Part Ⅲ 進む土砂管理第９章 日本の土砂還元（置き土）の最新事情
第10章 土砂バイパスによる土砂供給効果
第11章 黒部川における連携排砂の歴史と現状
第12章 天竜川流砂系の総合土砂管理
第13章 耳川のダム通砂を支えた産官学民のカルテット
第14章 那賀川における持続的土砂管理へ向けた取り組み
座談会 これからのダムの土砂管理：流砂環境の再生に向けて
15コラム：
土砂生産・流出と気候変動
Hungry Water, Bed Load Budget
土砂資源マネジメント
樹林化と礫河原再生と土砂管理
荒瀬ダム撤去と干潟再生
DNAメタバーコーディング
土砂管理と計測技術
流水型ダム，土砂管理と地元連携
土砂供給効果の予測・評価手法
土砂管理の経済評価，RESCONモデル，意思決定問題と多基準分析
https://pubs.research.kyoto-u.ac.jp/book/9784814004997

7

流域の問題には、多すぎる水（洪水）、少なすぎる水（渇水）もあれば、多すぎる土砂（災害）、少なすぎる土砂（河床低下、海岸侵食、河川環境劣化）もある。

長安口ダム・置き土瀬淵構造
生息場多様性室生ダム
置き土山須原ダム
通砂

耳川・湧水環境宇奈月ダム
排砂ゲート

天竜川
湧水環境

耳川・河道
地形変化

本書は、ダムによる流水の貯留とトレードオフの関係にある土砂の連続性遮断の問題を、流砂系の総合土砂管理の枠組みとして改めて考えるとともに、その一番の鍵を、「ダムの土砂管理＝河川の流砂環境の再生」と定義し、これを進めるための科学的考察と実践の最前線の分析に取り組んだ。 8佐久間ダムの堆砂進行

電源開発（株）1956【昭和31】竣工 発電
重力式コンクリート 堤高155.5 m

9海岸侵食・天竜川河口

2020年12月神戸新聞他
多数（共同通信配信）

多数に渡る 関係者間の理解・認識の共有
課題とそれを生じさせている原因を大局的に把握
全体コストの最適化の保全
総合土砂管理計画を策定








生態系や景観

H９(1997）河川法改正、H10（1998)総合土砂管理小委員会「流砂系総合土砂管理計画策定の手引き（案）調査編・計画編」（1999. 3）
ダム再生ビジョン（2017）
土木学会インフラ健康診断（2017, 2020, 2024）
異常豪雨の頻発化に備えたダムの洪水調節と情報の充実に向けて（2018）
総合土砂管理計画策定の手引き（第１.０版）（2019.3），（一財）国土技術研究センター

12• ダムの貯水容量は有限。 機能を長期にわたり維持するためには、ダムごとの堆砂特性を踏まえて効率的・効果的な堆砂対策が重要• ダムによって遮断された土砂の流れが、下流の河川や海岸の環境を劣化。 総合土砂管理の観点から適切な土砂供給が必要• 令和4年度末時点で、国土交通省所管の約570基のうち、ー 計画堆砂量を超過しているダムが66基
ー 洪水調節容量の余裕を超えているダムが22基• 気候変動影響により、降雨強度や気温の変化等による流入土砂量の増加も予測。 堆砂進行が加速化する可能性あり• アセットマネジメントの確立、新工法の導入等、効果的・効率的な堆砂対策が重要

排砂に関する考慮点：
土砂堆積域

土砂生産域

漂砂展開

砂防計画基準点

ダム貯水池

貯水池基準点

排砂基準点

扇状地
基準点

扇状地

必要土砂量

必要土砂量
河口

流域（河川）漂砂系（海岸）①量（土砂量）②質（粒径/有効集団）③タイミング（洪水規模＝掃流力）④年間の中での回数（短期集中/分散）⑤ヒステリシス（増水期/減水期）⑥河道内の調砂機能（過剰土砂の貯砂/不足時の給砂）• 多目的ダム• 貯水容量の維持が重要
治水容量：緊急放流防止• 低部放流設備の閉塞問題が新しい課題（リスクマネジメント）• 発電ダム• 取水設備の埋没（水車への土砂混入）は避けたい• 夏期も高水位運用のために、背砂が問題となる場合がある
発電効率（水使用率）の低下が懸念
調整力を発揮させる有効貯水容量の維持が大きな課題• 伝統的な堆砂問題と新しい展開• 流砂環境再生のすすめ• 流砂環境再生のポイント（土砂管理は「連立不等式」）• 新しい研究課題

利水安全度の低下

堆砂対策、容量増（嵩上げ）

堆砂進行

気候変動影響の増大（Cvの増大）• 気候変動によって， 1)年間総流入量（MAR）が変化し，さらに，2)その流況変動係数（Cv） が増大．一方で，3)降雨強度の変化によって年間流入土砂量（MAS）が変化し、ダム堆砂の進行が懸念。
• これに対して，変動係数（Cv） が増大した場合に，ダム貯水量（CAP）が年間総流入量（MAR）に対して十分大きければ（CAP/MAR=2)、変動増大を吸収して水供給のリスクが増大しない。ダム堆砂により貯水量が減少（CAP/MAR=1, 0.5) してしまうと，気候変動による流量変動が調整できずに、利水安全度が低下。
• その対策（温暖化適応策）として，堆砂対策（容量回復）やダムの嵩上げ（容量増），ソフト対策。

3）
貯水量(千m
貯水量(千m )4ダム合計(堆砂率0%)300,000

4ダム合計(堆砂率30%)

制限容量(堆砂率0%)4ダム合計(堆砂率50%)

制限容量(堆砂率50%)
2040-2060

制限容量(堆砂率30%)

250,000

3

MRI-AGCM3.2Sによる150年連続ラン（1950～2099年），RCP8.5，
CMIP5のSSTアンサンブル平均

200,000150,000

3）
貯水量(千m
貯水量(千m )100,000
50,00002040/1 2041/1 2042/1 2043/1 2044/1 2045/1 2046/1 2047/1 2048/1 2049/1 2050/1 2051/1 2052/1 2053/1 2054/1 2055/1 2056/1 2057/1 2058/1 2059/1

4ダム合計(堆砂率0%)300,000

堆砂率0%250,000

3

4ダム合計(堆砂率30%)

制限容量(堆砂率50%)
堆砂率50% 制限容量(堆砂率30%) 2080-2100

制限容量(堆砂率0%)4ダム合計(堆砂率50%)

堆砂率30%

200,000
150,000

小島裕之ら（2021）気候変動と堆砂進行がダムの利水機能に及ぼす影響とその適応策に関する検討, 河川技術論文集，27， 643-648.

50,0002081/1 2082/1 2083/1 2084/1

ａダム

2089/1 2090/1 2091/1 2092/1

2093/1 2094/1 2095/1 2096/1

2097/1 2098/1 2099/1

2090-2099

2080-2089

堆砂率50%
堆砂率50%

2070-2079

2060-2069

2050-2059

2040-2049

2030-2039

2020-2029

2010-20192000-2009

2090-2099

2080-2089

堆砂率30%
堆砂率30%

2070-2079

2060-2069

2050-2059

2040-2049

2030-2039

2020-2029

2010-20192000-2009

2090-2099

2080-2089

堆砂率0%
堆砂率0%

2070-2079

2060-2069

2050-2059

2040-2049

ｄダム

2030-2039

2020-2029

2085/1 2086/1 2087/1 2088/1

ｂダム

ｃダム

2010-2019

800
700
600
500
400
300
200
100
00
2080/1

2000-2009

パンク日数(日)パンク日数(日)100,000

非洪水期に貯水量が回復せず，その後の洪水期にパンク（貯水量枯渇）が発生
有効容量内の堆砂率30%→50%、2060年以降にパンク日数が顕著に増大
適応策：冬期から融雪出水期の無効放流分を効果的に導水して貯留

調整池（日・週間単位）

調整池

無効放流量

年間発電使用水量＋年間ダム放流量

100%

Water use efficiency

ダム放流量

発電使用水量

水使用率（％）(yearly ratio of total turbine discharge to total inflow )貯水池（年間・期別単位）

水使用率（%） =年間発電使用水量

90%80%

69'～80'81～'90'91'～00'01'～10'

70%
0%

5%

10%

15%

20%

Sedimentation ratio in active water capacity25%

有効貯水容量内の堆砂率（％）

有効貯水容量内の堆砂率が10％を超えた付近から水使用率が低下傾向。水系の要の貯水池の堆砂は、水系全体に影響
奥村：JCOLD土砂管理分科会報告2010• 長野県裾花ダムで、2017年の洪水調節中に２条ある常用洪水吐（低部放流設備）のうち１条が閉塞• 堆砂の進行と沈木の相互作用、水位が低い状態で、洪水流入し、土砂と沈木が放流管に流れ込み• 放流管前面には、コーン状の堆積面（ミニ排砂）

コーン状の堆積面

放流管の設置標高

計画堆砂位

放流管

計画堆砂位

10m程度

クリアランス

放流管ゲートは10m程度深く設置

裾花ダムは氷山の一角、今後、同様なダムは多く出てくる可能性あり
堆砂率100%超過で、クリアラン
スが減少

放流管が深い位置（Hc/H＞0.5）にあり、堆砂進行（堆砂率100％）

非常用洪水吐き「n-1 rule」

放流管１門が機能低下した場合の緊急放流パターン

常用洪水吐きスイスのダムの安全面での設計基準「n門のゲートを有する洪水吐の中で最大の放流量を有するものが使用不可の場合(n-1)に，所定の洪水流量を安全に流下させる能力を必要とする」
高田翔也, 角 哲也, (2018). 既存ダム水理構造物の信頼性向上のためのリスク評価手法に関する研究, 土木学会論文集 B1(水工学)(Web) 74(5)堆砂が再移動事前放流による水位低下

低位標高に堆砂進行

事前放流により迎洪水位が低下した場合・治水容量内の堆砂が再移動（堆砂減少）
・より低位標高に堆砂が進行し易くなる

・治水容量維持にはプラス
・底部放流管・取水口への土砂流入懸念
・沈木の影響，放流・取水設備への嚙込や閉塞などに要注意

小島 裕之, 永谷 言, 久保 裕基, 孫 夢霞, 川村 育男, 角 哲也, (2020). 気候変動下における事前放流が貯水池内堆砂進行特性に与える影響, 土木学会論文集Ｂ１（水工学） 76(2) I_853-I_858

堆砂および沈木によりゲート操作不能となるリスクシナリオに係る技術的課題と検討事項
１. 流木から沈木に代わる過程の解明 (3W1H)
 いつ (密度＞１になるタイミング)、洪水時／浮遊後
 だれが (樹種、幹径)
 どこで／どのように (貯水池流下中、網場捕捉後)

２.堆砂と沈木の関係の解明
 堆砂に着床した沈木は再移動するか？
 堆砂の中に沈木は埋まっているか？
 堆砂の中に埋まった沈木が再浮上することはあるか？
ナローマルチビームによる沈木探査

閉塞
洪水吐き－堆砂面
クリアランスの消失

すり鉢形状形成

土砂・沈木を通過可能なゲート構造

Bottomset bed

潜点

流木流入・捕捉沈降

巻上

各種ゲートの故障分析：今後の検討事項
洪水時の流れ構造（密度流の発生有無）
潜点の形成・場所

密度流

沈木浮上
デルタ肩
埋没沈木

ゲート

：過年度検討事項

流木の沈降実験

網場
水中ROVによる沈木探査

３.堆砂進行／堆砂移動と沈木の放流管前面への移動の関係の解明
 堆砂が再移動する条件は？
(デルタの前進、Foreset bedの水中地すべり(水中安息角の再構成))
 堆砂が放流管まで進行しているダムは？
(Bottomset bedが放流管吞口標高へ接近)

堆砂流動
Foreset bed

Topset bed

湖内流入

沈木流入

沈木の限界掃流力に関する実験

貯水池における沈木移動シミュレーション

副ダム直下流捕捉

貯砂ダムなどがある場合の流木の物理的な巻き込み(沈降：沈木化)
埋没沈木の探査予備放流・事前放流による堆砂デルタの移動

洪水吐き近傍の流れ場に関する実験

堆砂デルタ前面の流れ

ゲート操作とすり鉢形成関係の検討

放流管前面の凹部構造の流れと土砂・沈木の関係

４.放流管前面のすり鉢形状の流れと土砂・沈木の関係の解明
 すり鉢形状(長さ、深さ、体積等）とゲート操作の関係
 すり鉢内の発生水理量、沈木の移動特性
５. 土砂と沈木に対するゲート構造種別の機能影響の解明
 ゲートは土砂・沈木による外力作用を考慮しているか？
 堆砂のみの流入 (閉塞なし)⇔沈木＋堆砂が流入 (閉塞あり)？
 土砂・沈木に弱い/強いゲート構造

高田翔也, 角哲也, 木村一郎, 山上路生, 小柴孝太, (2023). ダム洪水吐きの持続的機能発揮に向けた貯水池堆砂・流木・沈木管理, 河川技術論文集29, 479-484.

26

各土砂還元事業の特徴
土砂輸送量
輸送土砂の質排砂時の水質
ダム機能維持置土

バイパス

フラッシュ/通砂

流水型ダム

ダム撤去

△○◎

◎

◎

△〇△

◎〇

△〇△

◎

〇

◎

◎

〇△×

28

Web based camera

Hydro-STIV
LSPIV

出典：国土交通省
那賀川河川事務所

発電排砂（通砂）欧州において、残されたフロンティアである水力発電水車を通じて土砂を排出する技術開発が検討
水資源の有効活用の観点から大変興味深い取組み
土砂吸引～導流～水車摩耗対策～環境対策スマートインフラに合致（堆砂対策DX）
HSRS（水位差吸引土砂排出システム）

Turbine Sediment Sluicing（水車を通じた排砂）

下流の土砂濃度をモニタリングしながら、土砂吸引量にフィードバック，細砂程度までは許容可能

国際大ダム会議ICOLDレポートSediment Bypassing
and Transfer（土砂のバイパスと移送）水車の水流部の摩耗問題
フランシス水車：高速部のガイドベーン、ランナの摩耗が激しい

提供：富士フォイトハイドロ（株）

ペルトン水車： ランナとニードル

34提供：富士フォイトハイドロ（株）

35

これまでに得られている知見

提供：富士フォイトハイドロ（株）

高濃度、高速流、高硬度、角ばった土砂により摩耗増大水車まわりの流れが乱れると土砂が水車の羽根に衝突して摩耗増大
2mm（粗砂）程度までは対応可能、2-6.3mm（細礫）は個別に検討
摩耗の著しい部品は耐摩耗性素材を適用、コーティングによる表面保護が可能
Computer Fluid Dynamics （CFD）による摩耗低減形状の開発が加速主要な型式（フランシス、カプラン、ペルトン）について摩耗特性を把握し対策確立
部品交換期間を短縮できる大容量横軸機（横軸フランシス水車）の採用など

ハードコーティング

ソフトコーティング

フランシスランナの摩耗CFD

36

トータルコストの最適化（全体最適）（土木）ダム(貯水池)を守る（機械・電気）
水車を守る• ダムを活かした水力発電システムのトータルの維持管理コスト全体の最適化
流入土砂の分級作用＝Sorting

管理手段

流況の制御

土砂動態の制御

ピークカット，フラッ
シュ放流，維持流量

排砂，置き土，護岸，床固め，遊砂地
地形特性
砂州地形, 川幅水深比, 潤辺長，
水頭差，蛇行率，裸地率，植被率， 岩盤率, 粒径分布, etc.

管理対象
生息場特性
たまり, 河床軟度, 間隙流
速，裸地の岸際，溶存酸素濃度, 生息場寿命, etc.

生物多様性
種多様性，遺伝的多様性, 生態系多様性,外来種問題 etc.

管理目的

物質循環
粒状有機物の捕捉率, 濾過
効率, 有機物起源，分解速度，栄養螺旋長，etc

アユ産卵床の好適地
浮石＋潜り込み＝酸素供給

河道内湧水は濁度が低く、水温上昇が緩和小林草平, 中野大助, 深池正樹, 梶原慎介, 角哲也, (2019). 耳川の通砂事業により西郷ダム下流に形成した砂州の湧水特性, 河川技術論文集 25 387-392

調査対象：宮崎県耳川水系西郷ダム下流

熊本県球磨川荒瀬ダム（撤去）下流の事例

水頭の等高線と砂州内流れの ベクトル

• 砂州の高い透水性→湧水→水質浄化（フィルタリング）
水温変動の緩和効果、などが期待される• 新鮮な砂州を維持するために土砂供給の継続が必要

提供：黒部河川事務所

• 貯水池の持続的管理（次世代への水資源インフラのバトンタッチ）のために、土砂管理は重要• 「ダムの土砂管理＝河川の流砂環境の再生」と定義する必要あり• 総合土砂管理は「連立不等式の問題」として考える– 砂防、ダム、河川、海岸、環境があり、利水者や港湾管理者など、さまざまな関係者がそれぞれプラス、マイナスの意見あり。これらをどう定式化できるか– それぞれの条件ごとに、許容可能で、かつ、目的を達成できる範囲（土砂量と粒径（有効粒径集団））は、いくらからいくらまでか、その上で、お互いが最終的にWin-Winになれるような「連立不等式の解」をいかに見つけるか、という問題①ダムの長寿命化に必要な ②河床地形・生態機排砂量（通砂・置き土など） 能に必要な流砂量

土砂流入量（与条件）（土砂量・粒径）・気候変動でどうなる？
・上流ダムの土砂管理の影響は？

③河口・海岸域に必要な流砂量④土砂資源活用に必要な流砂量

有効粒径集団・礫（2mm以上）
・砂（0.1-2mm）①排砂可能量（コスト， ②治水安全度（コスト，・シルト／粘土（0.1mm以下）輸送能力制約）
掘削能力制約）• 技術的課題– 有効な対策オプションの選択• 排砂，通砂，土砂バイパス，土砂還元（置き土）など– ゲート改造・操作変更• ゲート改造, ゲート新設– 目標とする土砂収支, 粒径集団
• 環境課題– 河床地形効果– 生態系効果• 社会課題– コスト分担, 越境課題
– 下流の付加的な洪水リスク• 操作／運用課題– 降雨予測– ダムの統合操作
ICOLD 堆砂技術委員会テーマ

2005年の台風14号で大規模土砂流出，貯水池内の堆砂掘削に加えて、ダム本体改造（山須原、西郷）、ダム運用変更（大内原ダム）による再開発を実施

吉村健, 朝崎勝之, 角哲也, (2018).
河川の安全度を考慮した耳川水系におけるダム連携通砂方法の策定, 土木学会論文集 B1(水工学)
74(4) I_961-I_966

通砂による下流の河床地形の変化（ハビタッ
トの多様化）

a-2:人力で実施困難箇所の施工・計測（ダム堆砂のモニタリングと遠隔浚渫）
土木研究所，水源地環境センター（WEC），大成建設，農研機構，
京大防災研，セアプラス，水資源機構，信州大学

セアプラス
水資源機構

土木研究所

農研機構

水源地環境センター
（WEC）
京大防災研
大成建設
ダム堆砂測量の自動化や堆積土砂に含まれる異物（沈木など）の事前把握、さらに、こうしたデータを活用した土砂の掘削や浚渫作業の自動化や遠隔化などの技術開発を推進。

貯水池内の堆砂モニタリング技術の革新
3次元堆砂測量の遠隔化
および自動化（スマートMB）（セアプラス）
ピンポイント堆砂測量システムの開発（京大）

電極法を用いた流砂量計測技術（信州大）

サブボトム
プロファイ
ラー

堆砂性状モニタリング技術（水資源機構）

研究領域のHP：https://damupgrading.dpri.kyoto-u.ac.jp/